機械增壓器

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機械增壓器又稱超級增壓器supercharger),是一種用於內燃機強制進氣裝置

渦輪增壓器相比,最大的區別就在於空氣壓縮機的驅動方式,渦輪增壓器利用引擎廢氣推動之,而機械增壓器則利用發動機曲軸產生的扭矩。但是,機械增壓器的設計初衷與渦輪增壓器大體相同,都是透過空氣壓縮機為發動機吸入更多空氣,輔以加大燃油的供給量,提高發動機的輸出功率[1]

常見的機械增壓器有離心式機械增壓器、雙螺旋式機械增壓器(又稱「羅茨式增壓器」或「羅茨風機」)和「魯式」機械增壓器(Roots)。[2]

由於早期的內燃機用增壓器全部都是機械增壓,在發明之初稱為超級增壓器(Supercharge)。後來渦輪增壓發明,為了便於區分,渦輪增壓器被稱為「Turbo Supercharger」(渦輪式機械增壓器[1]),機械增壓則被稱為「Mechanical Supercharger」。久而久之,兩者就分別被簡化為 Turbocharger 與Supercharger 了[3]

技術原理[編輯]

機械增壓器由增壓器本體(空氣壓縮機)、輸入軸變速機構(如齒輪變速器液態變速器等)(「魯式」增壓器沒有此裝置)、傳動機構(如皮帶輪+皮帶或鏈條輪+鏈條)等結構組成,如果需要還會安裝中央冷卻器來冷卻壓縮空氣。

運轉時,發動機曲軸通過鏈條或皮帶驅動增壓器本體中鼓入空氣,經壓縮的空氣冷卻後進入引擎的燃燒室中,與燃料混合,並壓縮點火做。由於壓縮機的動力來自於發動機曲軸,引擎的功率會有一定的損耗,但也因此,裝備機械增壓器的發動機不存在渦輪增壓發動機常有的渦輪遲滯現象。除此之外由於增壓器轉子的轉速升降程度與曲軸的是同步的,因此泄壓閥也成了非必需品。輸入軸變速機構,以齒輪變速器為例,變速器由皮帶輪/鏈條輪、主動齒輪、壓縮機齒輪及殼體組成,一般會與增壓器本體一體化。傳動用的傳動帶/傳動鏈纏繞在皮帶輪/鏈條輪上,皮帶輪/鏈條輪連接在一個主動齒輪上。 而主動齒輪則會旋轉壓縮機齒輪。 壓縮機的轉子可以有多種設計,但它的任務是吸入空氣,將空氣壓入更小的空間,並注入進氣岐管中。如果增壓器的增壓值較高、僅依靠進氣管仍不足以帶走壓縮空氣的熱量的,還需要在進氣道安裝中央冷卻器以冷卻壓縮空氣。一般來說,機械增壓器平均可提高46%的馬力和31%的扭矩,但一些技術力量較強的廠商能使之提高50%-100%的馬力及扭矩。

機械增壓器有三種:魯式 (Roots)、雙螺旋式和離心式。 它們的主要區別在於壓縮機的設計不同。 魯式和雙螺旋式機械增壓器使用不同類型的齧合凸緣來吸取空氣,而離心式機械增壓器使用葉輪吸入空氣,有些類似於渦輪增壓器。儘管這三種設計都能產生增壓效果,但在效率上卻有很大差別。

「魯式」機械增壓器[編輯]

「魯式」機械增壓器最早的設計。在1860年由Philander和Francis Roots發明並申請了設計專利,目的是幫助礦井通道通風的機器,而非內燃機增壓器(當時內燃機還沒被發明)。內燃機發明後,1900年,Gottleib Daimler(戴姆勒汽車的創始人,日後與早期的奔馳合併為戴姆勒-奔馳)首次在汽車發動機中安裝了「魯式」機械增壓器。

使用了「魯式」機械增壓器的土星Ion Red

壓縮機中的有兩個凸緣轉子,它們相互齧合。一般動力輸入軸只連接一個凸緣,另一凸緣由連接輸入軸的凸緣帶動。當齧合凸緣旋轉時,凸緣之間產生真空負壓,由此空氣會被吸入,然後在增壓器進氣口和其排氣口之間傳送。 大量的空氣將進入進氣歧管,並累積起來產生正壓。但這種設計的增壓器並不是連續不斷地吸入空氣,而是間歇式的(間歇很短但不能忽略),而且轉子凸緣體笨重,需消耗較多的曲軸扭矩,效率並不高,而且這類增壓器的壓縮空氣排出壓縮機時會發出轟鳴聲,一般需要安裝降噪裝置以降低噪音

這種增壓器一般體積龐大,常安裝在發動機的頂部。一般多用於大型車。也深受以往的重度改裝的美式肌肉車喜愛。

雙螺旋式機械增壓器[編輯]

類似於「魯式」機械增壓器,雙螺旋式機械增壓器/羅茨風機通過兩根類似於一組渦輪傳動的齧合凸緣轉子吸入空氣,增壓器中的空氣也是通過轉子凸緣集中起來吸入的。 但不同的是,雙螺旋式機械增壓器還會壓縮轉子殼體內的空氣。 其原因在於這些轉子具有錐度,這意味著隨著空氣從增壓器進氣口流向排氣口,氣道會變小。 隨著氣道的收縮,空氣便被壓入到更小的空間,使得空氣的壓縮可以連續進行,提高增壓器的效率,使得增壓器不需要造得十分龐大。

羅茨風機的轉子

不過,因轉子凸緣的形制需要,在製造過程中需要精密的加工,這增加了增壓器的製造成本。 有些雙螺旋式機械增壓器與魯式機械增壓器一樣,一般也放在發動機的上方,當然也可以放置在引擎的一側。因原理與「魯式」增壓器的相似性,從排氣口排出的壓縮空氣和「魯式」增壓器一樣會呼呼作響,因此必須使用降噪技術消除這些聲音。

離心式機械增壓器[編輯]

離心式機械增壓器利用葉輪(一種類似於轉子的裝置)提供動力,將空氣高速吸入狹小的壓縮機殼體。 葉輪與渦輪增壓器壓縮機的轉子相似,其轉速透過輸入軸變速器的放大,可達5-6萬轉每分鐘。 由於空氣在葉輪輪轂處被吸入,因此離心力會導致空氣向外擴散。 這些空氣會使葉輪處於高速低壓狀態。 擴壓器是一組環繞葉輪的固定葉片,它會將高速低壓的空氣轉換成低速高壓的空氣。 當空氣分子碰到這些葉片時,會減慢速度,從而降低氣流速度以及增加壓力。

這類增壓的的效率是三類機械增壓器中最高的,同時增壓值一般也較前兩類高,常常需要加裝中央冷卻器以降低壓縮空氣的溫度。

由於這類增壓器與渦輪增壓器的高度相似性,不少人誤認為這是一類渦輪增壓器,不少人也稱其為渦輪機械增壓器。但嚴格來講,從壓縮機的驅動方式上,這就是不折不扣的一類機械增壓器。

利弊[編輯]

與渦輪增壓相比,具有以下優點:

  • 不存在遲滯現象,動力輸出的順暢性接近於自然進氣發動機,低轉速時動力響應迅速;
  • 基本上不需要對排氣系統進行大改造,僅需對進氣系統施工,改裝施工技術的難度降低;

與渦輪增壓相比,不足的是:

  • 需損耗部分動力驅動增壓機,而渦輪增壓幾乎是「無本買賣」;
  • 高轉速時動力不如渦輪增壓;
  • 噪音擾人,特別是魯式和雙螺旋式;

但渦輪增壓和機械增壓與自然進氣引擎相比都有一個共同缺點,那就是會增加發動機的負擔(燃燒室工作壓力上升),特別是對於改裝車。 對於改裝車,無論是何種增壓器,都需要調校行車電腦的燃料供應量、調整潤滑油管道等一系列工作。

應用[編輯]

  • 性能汽車
    • 奔馳早期的帶增壓器的車款,如SL55 AMG、C200K等,SLR 邁凱倫也裝備了5.5公升帶機械增壓器的V8引擎;
    • 柯尼賽格的CCX、CCR等,4.7公升V形8氣缸引擎,安裝了兩個離心式機械增壓器,馬力達800匹以上;
    • 福特GT、Shelby GT500等;
    • 雪佛蘭Corvette ZR1等

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 [1]/機械增壓器工作原理/頁1 博聞網
  2. ^ [2]/機械增壓器工作原理/頁2 博聞網
  3. ^ [3]/機械增壓與渦輪增壓 原載《汽車運動》

外部連結[編輯]